Controlling spontaneous emission dynamics in semiconductor microcavities

¹ Laboratoire CDP, 196 avenue H. Ravera, 92225 Bagneux Cedex, France.
² ECE Department, University of California, Santa Barbara, CA 93106-9560, USA

Abstract

Spontaneous emission of light can be controlled, cavity quantum electrodynamics tells us, and many experiments in atomic physics demonstrated this fact. In particular, coupling an emitter to a resonant photon mode of a cavity can enhance its spontaneous emission rate: this is the so-called Purcell effect. Though appealing it might seem to implement these concepts for the benefit of light-emitting semiconductor devices, great care has to be taken as to which emitter/cavity system should be used. Semiconductor quantum boxes prove to be good candidates for witnessing the Purcell effect. Also, low volume cavities having a high optical quality – in other words a long photon storage time – are required. State-of-the-art fabrication techniques of such cavities are presented and discussed.
We demonstrate spontaneous emission rate enhancement for InAs/GaAs quantum boxes in time-resolved and continuous-wave photoluminescence experiments. This is done for two kinds of cavities, namely GaAs/AlAs micropillars (global enhancement by a factor of 5), and GaAs microdisks (global enhancement by a factor of 20). Prospects for lasers, light-emitting diodes and single photon sources based on the Purcell effect are discussed.

Résumé

L'émission spontanée de lumière peut être contrôlée, ainsi que nous l'enseigne l'électrodynamique quantique en cavité, ce fait a été démontré expérimentalement en physique atomique. En particulier, coupler un émetteur à un mode photonique résonnant d'une cavité peut exalter son taux d'émission spontanée : c'est l'effet Purcell. Bien qu'il semble très prometteur de mettre en pratique ces concepts pour améliorer les dispositifs semi-conducteurs émetteurs de lumière, le choix du système émetteur/cavité est crucial. Nous montrons que les boîtes quantiques semi-conductrices sont des bons candidats pour observer l'effet Purcell. Il faut par ailleurs des cavités de faible volume ayant une grande qualité optique – en d'autres mots un long temps de stockage des photons. Des techniques de fabrication à l'état de l'art de telles cavités sont présentées et discutées.
Nous démontrons une exaltation du taux d'émission spontanée pour des boîtes quantiques InAs/GaAs dans des expériences de photoluminescence résolues en temps et en continu. Ceci est réalisé pour deux types de cavités, à savoir des micropiliers GaAs/AlAs (exaltation globale par un facteur 5) et des microdisques (exaltation globale d'un facteur 20). Quelques perspectives pour l'application de l'effet Purcell à des lasers, des diodes électroluminescentes et des sources de photons uniques sont présentées et discutées.